Что еще видим?

На рисунке 3 показано то, что произошло после того, как систему нагрели до температуры выше температуры плавления, а затем медленно охладили. Прошла кристаллизация, но сначала возник не один кристалл, а четыре. Кристаллы немедленно начали конкурировать друг с другом, и теперь их осталось только два – слева внизу виден кристалл с иной ориентировкой. Два кристалла (зерна) разделены границей и эта граница движется к центру своей кривизны, а, следовательно, маленькое зерно обречено: через некоторое время останется только одно зерно-победитель.

Кроме границы между зернами можно увидеть еще два важных объекта.

Один из них вакансия – пустой, незанятый атомом узел кристаллической решетки. Но к вакансии, как к дефекту решетки относится и вся область искажений вокруг пустого узла. Вакансии как раз и обеспечивают возможность (и неизбежность) диффузии в твердом теле.

Второй важный объект – дислокация. Если проследить за атомными рядами, то в районе, указанном стрелкой, можно заметить, что один из рядов не имеет продолжения. Вокруг края этого оборванного ряда расположение атомов отличается от нормального. Это и есть ядро дислокации. Именно дислокации определяют поведение металлов при нагрузке, их механические свойства, тот важнейший факт, что металлы обладают уникальным, не присущим никаким другим материалам сочетанием прочности и стойкости к хрупкому разрушению. Вот за это сочетание практики и «прощают» металлам их недостатки: большую плотность («тяжелые») и, за редким исключением, склонность к коррозии («ржавеют»).

Рис. 3 Дефекты решетки различных типов: поверхность кристалла; вакансия; дислокация; граница зерен. Существование двух зерен хорошо обнаруживается и по виду ориентационной корреляционной функции – она имеет две серии максимумов.

Выше уже упоминалось, что уникальная особенность металлов — сочетание высокой прочности, нужной твердости (высокой или низкой — когда что нужно) и стойкости к хрупкому разрушению, или, другими словами — пластичностью, способностью деформироваться при высоких нагрузках и одновременно увеличивать свою прочность, упрочняться. Упрочнение тоже одно из уникальных свойств металлов. Роль дислокаций в пластической деформации можно увидеть на рис. 4. Здесь к металлу в горизонтальном направлении приложена большая растягивающая сила, и он начал деформироваться. Видно, что деформация происходит путем скольжения дислокаций — их можно обнаружить по «разреженным» атомным рядам. Некоторые дислокации уже вышли на поверхность кристалла и образовали ступеньки (вверху).

Рис. 4 Результат моделирования атомной структуры под действием растягивающего напряжения. Сила приложена в горизонтальном направлении и по величине превышает предел упругости. Видны дислокации —участки начавшегося сдвига в направлениях плотнейшей упаковки атомов под углом 600 к направлению действия силы.

Еще сложнее (и тем интереснее) изучать наноструктуру и ее перестройки в сплавах. На рис 5 в начальном положении два кристалла прямоугольной формы просто лежали друг на друге. С течением времени не только изменилась форма кристаллов (сгладились углы и т.д.), но атомы двух металлов вступили во взаимодействие — началось взаимное растворение. Существенно, что этот процесс идет с аномально высокой скоростью: на несколько порядков большей, чем предсказывали классические теории. Только изучение процесса с помощью метода молекулярной динамики позволило увидеть и объяснить эту аномалию.

Рис. 5 Две фазы с различной атомной структурой. Энергия взаимодействия компонентов А-В превышает энергии взаимодействия А-А и В-В. Начинается взаимное растворение компонентов – две фазы в дальнейшем превратятся в одну: единый твердый раствор. На границе фаз возникли значительные упругие искажения решетки (в основном в фазе с квадратной решеткой).

В самом деле, справа, на границе двух металлов уже сформировались и видны атомные цепочки, взаимно проникающие друг в друга без участия классического механизма переноса массы с помощью вакансий – см. рис.3.

В заключение можно отметить, что методом молекулярной динамики проводится также компьютерное моделирование ядерных взрывов, позволившее отказаться от ядерных испытаний.